【正文】 江 蘇 科 技 大 學本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）學 院 電子信息學院 專 業(yè) 電子信息科學與技術 學生姓名 葉華 班級學號 0740306223 指導教師 陳迅 二零一一年六月江蘇科技大學本科畢業(yè)論文基于 DDS 技術的任意波形發(fā)生器A DDSBased Arbitrary Waveform Generator 江 蘇 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）任務書學院名稱： 電子信息學院 專 業(yè)：電子信息科學與技術 學生姓名： 葉華 學 號： 0740306223 指導教師： 陳迅 職 稱： 副教授 畢業(yè)設計（論文）題目：基于 DDS 技術的任意波形發(fā)生器畢業(yè)設計（論文）內容及要求（包括原始數據、技術要求、達到的指標和應做的實驗等） 采用 MCU 和 FPGA 技術， 設計基于 DDS 技術的任意波形發(fā)生器1．要求 a．利用 FPGA 完成 DDS 波形產生的核心電路； b．利用單片機進行人機接口設計； c．輸出信號波形: 正弦 方波 三角 鋸齒 和 任意波形的產生； d. 輸出信號頻率 1Hz2MHz，輸出幅度 Vpp 100mV5V。 e． 可以利用 PC 機通過串口或者 USB 口將任意波的數據傳給信號發(fā)生器； f．信號發(fā)生器具有鍵盤和 LCD 顯示面板；一、 完成后應交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）1. 畢業(yè)設計論文一份（不少于 萬字） ；2. 外文譯文一篇（不少于 5000 英文單詞） ；3. 程序清單三、完成日期及進度自 11 年 2 月 21 日起至 11 年 6 月 26 止進度安排：1． 2 月 21 日至 3 月 14 日 了解課題內容，撰寫開題報告， 準備相關知識2． 3 月 15 日至 3 月 21 日 聽專題講座。3． 3 月 22 日至 4 月 4 日 系統(tǒng)設計。4． 4 月 5 日至 5 月 16 日 單元電路設計與調試。5． 5 月 17 日至 5 月 23 日 系統(tǒng)調試與測試。6． 5 月 24 日至 6 月 26 日 撰寫畢業(yè)設計論文，答辯。四、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）:1. 胡大可 MSP430 系列單片機 C 語言程序設計與開發(fā) 北京航空航天大學出版社 2. 魏小龍 MSP430 系列單片機接口技術及系統(tǒng)設計實例 北京航空航天大學出版社 3． 楊曉慧, 楊旭 FPGA 系統(tǒng)設計與實例 人民郵電出版社 4. 王傳新 FPGA 設計基礎 高等教育出版社 系（教研室）主任： （簽章） 年 月 日 學院領導： （簽章） 年 月 日江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）I摘 要隨著電子信息技術的發(fā)展，對各種數字模擬信號需求也更加復雜和多樣化，任意波形發(fā)生器(AWG)的應用變得不可或缺。本文提出了一種基于 FPGA 設計的采用DDS 技術任意波形發(fā)生器的設計方法。設計的任意波形發(fā)生器除了可以等間隔步進調節(jié)頻率外，還可以改變波形的采樣點數。該任意波形發(fā)生器支持上位機或其他設備通過串行通信或其他方式進行控制和數據傳輸。在保留產生正弦、矩形、三角等基本波形的前提下可以輸出任意波形。任意波形的來源可以是發(fā)生器自身微控制器用函數生成，也可來至于上位機或其他設備的數據。在本設計中，還提出了一種控制器和發(fā)生器主機分離的設計思路，使得人機交流更加方便和人性化。跟傳統(tǒng)的函數發(fā)生器或任意波形發(fā)生器相比，本設計有控制簡單方便，任意波形來源豐富，產生的波形穩(wěn)定度高，頻率穩(wěn)定，分辨率高等諸多優(yōu)點。關鍵詞：直接頻率合成(DDS)；任意波形發(fā)生器(AWG) ；相位累加器；數模轉換器江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）IIAbstractWith the development of electronic information technology, the required of the digital and analog signals is more plex and diverse, arbitrary waveform generator (AWG) of the applications bee indispensable. In this paper we present a method which FPGABased and using DDS technology arbitrary waveform generator design. In addition to the design of the arbitrary waveform generator can adjust the frequency spaced steps, but also can change the waveform of the sampling points. The arbitrary waveform generator to support the serial munication or other means to control and data transfer from the host puter or other device. Retain the sine, rectangle, triangle and other basic premise of the waveform can be output any waveform. The source can be arbitrary waveform generator generates its own microcontroller with a function, but also to regard the host puter or other device data. In this paper, we also raised a host controller and a separate generator design ideas, making humanputer munication more convenient and user friendly. Unlike traditional function generator or arbitrary waveform generator pared to the control of simple design, a rich source of arbitrary waveforms, the resulting waveform with high stability, frequency stability, and high resolution advantages.Key words: direct digital synthesis (DDS)。 arbitrary waveform generator (AWG)。 phase accumulator。 DAC江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）III目 錄第一章 緒論 1 研究背景 1 國內外現狀 1 任意波形發(fā)生器原理 2 DDS 基本原理 2 本文的主要內容 3第二章 任意波形發(fā)生器設計方案 4 任意波形發(fā)生器系統(tǒng)組成 4 改進后的 DDS 模塊及工作原理 5第三章 波形發(fā)生器的主體設計 7 FPGA 電路設計 7 PLL 和 RAM 模塊的定制 8 通訊模塊 9 寄存器控制器模塊 10 單片機控制電路設計 10 用戶接口模塊 11 UART 模塊 12 無線模塊 13 DAC 輸出模塊及濾波電路的設計 14第四章 手持式控制終端設計 17 手持式控制終端的硬件選擇 17 用戶界面的設計 18 Put_Gui_Control()函數 18 Gui_Selection_Form()函數 18 Gui_DropdownMenu()函數 19 基本波形控制界面 20 觸摸屏的輸入校準 20 手繪波形輸入界面 21 手繪波形輸入 21 手繪波形輸出 22 其他任意波形的產生 22 調制波形輸出 23 合成波形輸出 23第五章 上位機軟件設計 25 上位機波形圖形化顯示 25 上位機與發(fā)生器間的通訊 27江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）IV 上位機波形數據的導入 28結論 30 各項指標參數 30 資源利用情況 31 存在的問題 31致 謝 32參 考 文 獻 33附錄 1江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）1第一章 緒論 研究背景任意波形發(fā)生器是一種能產生任意波形的信號源，它是近年來發(fā)展起來的一種信號發(fā)生器。區(qū)別于早先的函數波形發(fā)生器，任意波形發(fā)生器使用到了微處理器及數模轉換器等數字器件。它不僅能完成函數波形發(fā)生器的功能產生正弦、三角、鋸齒等基本波形，還提供了方便的波形設置方法以便產生用戶所需要的任意波形。隨著科技研究的不斷深入和領域擴展，要求用電信號模擬的信號更加復雜、多樣。例如，通信的每一步發(fā)展，都要求不同的測試信號；而生物學上的研究，也常常需要使用神經信號和腦波信號等各種特別的電信號；材料科學、生命科學等諸多領域，都要求用任意波形發(fā)生器產生復雜的信號。另外，現代科技要求信號更加準確、逼真，而不僅僅滿足于大體合適。因此，在不少測試方案和自動化系統(tǒng)的組成中，在信號源部分已明確指定為任意波形發(fā)生器。在電類和非電類的應用中，對這類儀器的需要都日益迫切 [1]。任意波形發(fā)生器目前主要有兩種實現方法:一種是傳統(tǒng)的任意波形發(fā)生器,但是由于采用的是模擬和模數混合的方法,限制了其頻率穩(wěn)定度,并且系統(tǒng)比較復雜。另一種是基于直接數字頻率合成(DDS) 技術的任意波形發(fā)生器,采用這種技術的 AWG 具有很高的頻率分辨率和快速的輸出頻率轉換能力,并且輸出頻率范圍寬 [2]。 國內外現狀目前，市場上常見的任意波形發(fā)生器主要有普源 RIGOL、優(yōu)利德。從功能上看，普源的任意波形發(fā)生器比較完善，但價格偏高。其他廠家的任意波形發(fā)生器雖然也可以產生任意波形，但波形來源往往是較簡單的波形合成，并不是真正意義上的“任意”波形。如今，雖然國內外的任意波形發(fā)生器研究上已經趨于完善，但實際運用上還存在不盡人意的地方。例如：有的可視化界面僅能顯示文字數據，不能直接顯示輸出波形；有的任意波形數據的產生只能連接上位機獲取；任意波形編輯功能不夠全面，僅能滿足特定的場合。即使有較完善功能的任意波形發(fā)生器，但其高昂的價格卻讓人望而止步。當然，在高校中對于各種任意波形發(fā)生器的研制也有不少，例如東莞理工學院的可視化多功能 DDS 任意信號源，但其可視化也是建立在用Delphi 來開發(fā)圖形上位機軟件的基礎上的 [3]。江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）2 任意波形發(fā)生器原理在實驗或科研中，除了經常使用一些規(guī)則的波形如正弦波、方波、三角波、鋸齒波之外，很多時候也會需要用到一些不規(guī)則的信號。如附加諧波的原始波形，兩個信號的疊加波形，任意脈沖，噪聲等。以前，為了獲得這些不規(guī)則信號，往往需要專門設計電路或使用特定的設備。這樣一來就會增加了不必要的時間和成本。而隨著任意波形發(fā)生器（AWG）的出現和使用，這一問題得到了有效地解決。如今，AWG 的設計方法有好幾種，其中使用最多的還是基于 DDS 技術。而主控芯片有的采用單片機(MCU)，有的采用現場可編程門陣列(FPGA)，這兩種方法各有優(yōu)缺點。 DDS 基本原理DDS(直接數字頻率合成)技術是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術。它需要以一個高精度的固定頻率時鐘作為參考時鐘源，通過數字信號處理技術產生一個頻率和相位可調的輸出信號。DDS 的主要組成部分是累加器、波形存儲器 ROM 和 D／A 轉換器。累加器和波形存儲器的位數決定了 DDS 的最小步進和由相位截斷誤差所引入的雜散 [4]。傳統(tǒng)的頻率合成技術由于波形精度低、頻率穩(wěn)定性差等缺點，已經不能滿足許多實際應用的需要。隨著這種具有相位連續(xù)、頻率分辨率高(本設計為 1/512)、頻率轉換速度快(本設計為 25ns)和良好的可重復性等優(yōu)點的DDS 技術的興起，AWG 的設計也有了新的突破。圖 1－1: DDS 原理框圖從本質上來說，DDS 其實就是對參考時鐘作除法運算 [5]。但在 FPGA 中，如果直接進行除法運算的話，是很耗用時間和邏輯單元的。因此，如圖 11 所示 [6]，在DDS 的設計中使用了一個累加器和一個相位寄存器構成的相位累加器對頻率控制字進行累加，然后用相位累加器的輸出對波形儲存器進行查表。則輸出頻率為：(11)NCWOff??頻率控制字 fCW 累加器 相位寄存器 波形查找表 DAC LPF 波形輸出N基準時鐘 fc江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）